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氢原子光谱

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氢原子光谱指的是氢原子内之电子在不同能级跃迁时所发射或吸收不同波长能量光子而得到的光谱。氢原子光谱为不连续的线光谱,自无线电波微波红外光可见光、到紫外光区段都有可能有其谱线。根据电子跃迁的后所处的能阶,可将光谱分为不同的线系。理论上有无穷个线系,前6个常用线系以发现者的名字命名。

六个线系

氢光谱的序列,坐标采用对数标尺。
氢光谱的序列,坐标采用对数标尺。

氢原子()由一个质子及一个电子构成,是最简单的原子,因此其光谱一直是了解物质结构理论的主要基础。研究其光谱,可借由外界提供其能量,使其电子跃至高能级后,在跳回低能级的同时,会放出能量等同两高低阶间能量差的光子,再以光栅棱镜干涉仪分析其光子能量、强度,就可以得到其发射光谱。亦或以一已知能量、强度之光源,照射氢原子,则等同其能级能量差的光子会被氢原子吸收,因而在该能量形成暗线。另一个方法则是分析来自外太空的氢原子,要取得纯粹氢原子的光谱也非十分容易,主要是因为氢在大自然中倾向以双原子分子存在,但科学家仍能借由阴极射线管使其分解成单一原子。

依其发现之科学家及谱线所在之能量区段可将其划分为以下系列,系列中各谱线则用α、β等希腊字母来命名:

来曼系列

主量子数n大于或等于2的电子跃迁到n = 1的能阶,产生的一系列光谱线称为“来曼系列”。此系列谱线能量位于紫外光波段。

巴耳末系列

主量子数n大于或等于3的电子跃迁到n = 2的能阶,产生的一系列光谱线称为“巴耳末系”。巴耳末系有四条谱线处于可见光波段,所以是最早被发现的线系。

1885年,巴耳末(J.J. Balmer,瑞士,1825-1898)将位于可见光波段,能量位于410.12奈米、434.01奈米、486.07奈米、656.21奈米等谱线,以下列经验公式表示: ,m = 3、4、5、6...,此方程称为巴耳末公式

帕申系列

主量子数n大于或等于4的电子跃迁到n = 3的能阶,产生的一系列光谱线称为“帕申系列”,由帕申于1908年发现,位于红外光波段。

布拉格系列

主量子数n大于或等于5的电子跃迁到n = 4的能阶,产生的一系列光谱线称为“布拉格系列”,由弗雷德里克·布拉克于1922年发现,位于红外光波段。

蒲芬德系列

主量子数n大于或等于6的电子跃迁到n = 5的能阶,产生的一系列光谱线称为“蒲芬德系列”,由蒲芬德于1924年发现,位于红外光波段。

汉弗莱系

主量子数n大于或等于7的电子跃迁到n = 6的能阶,产生的一系列光谱线称为“汉弗莱系列”,由汉弗莱于1953年发现,位于红外光波段。

里德伯公式

1889年瑞典物理学家约翰内斯·里德伯(Johannes Robert Rydberg)将上述各系列谱线归纳出氢原子谱线的经验公式:

参阅

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